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Transcripción

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2 Nanofibras ópticas. UFO/OPUMA School, UNAM, México Julio 2017 Luis A. Orozco

3 Plan del curso: 1a lección; Las nanofibras ópticas: 2a lección: Atomos alrededor de las fibras ópticas y atraimiento de átomos alrededor de la nanofibra 3a lección (conferencia): Optica cuántica con nanofibras, del efecto Purcell a super y subradianza

4 Artículo de revisión: P. Solano, J. A. Grover, J. E. Hoffman, S. Ravets, F. K. Fatemi, L. A. Orozco, and S. L. Rolston Optical Nanofibers: A New Platform for Quantum Optics. Advances in Atomic Molecular and Optical Physics, Vol. 46, , Edited by E. Arimondo, C. C. Lin, and S. F. Yelin, Academic Press, Burlington (2017). ArXiv:

5 1. Acoplamiento átomo-campo 2. Fuerzas sobre un dipolo 3. Trampas en nanofibras 4. Dinámica de átomos atrapados 5. Modos mecánicos de la fibra

6 2. Acoplamiento átomo-campo

7 Acoplamiento normal Sombra del átomo de dos niveles, igual a un dipolo clásico. Sección eficaz σ = 3λ 2 /2π Energía de un dipolo d en un campo eléctrico E: Operador MC dipolo:!! d = e Ψ r Ψ i f H int =! d! E : átomo, dipolo

8 Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción

9 Decaimiento en la nanofibra Densidad de modos en 1D

10 Decaimiento en la nanofibra Densidad de modos en 1D Proporcional al campo eléctrico del modo guiado.

11 Modificación de la tasa de decaimiento

12 Acoplamiento evanescente No a escala : átomo o dipolo

13 Acoplamiento evanescente γ Tot = γ rad +γ 1D γ rad γ 1D No a escala

14 Acoplamiento evanescente γ Tot = γ rad +γ 1D γ rad γ 1D No a escala γ 0 γ Tot γ 0

15 Densidad óptica (OD) en la OD ( r)! = σ nanofibra 0 1 A ( r)! ef No a escala 0.15 σ 0 /A eff r (nm)

16 Densidad óptica (OD) en la nanofibra OD 1 (! r) = σ 0 A ef (! r) No a escala A 50 nm de la superficie un átomo puede bloquear el 10%de la luz σ 0 /A eff r (nm)

17 Mejoría del acoplamiento γ rad γ 1D No a escala α = γ 1D γ 0

18 OD y mejoría del acoplamiento A ef (! r) = P I(! r) No a escala α(! r) = γ 1D(! r) γ 0 = 1 σ 0 n A ( r)! = 1 OD ( r)! n 1 ef ef ef

19 Eficiencia del acoplamiento γ rad γ 1D No a escala β = γ 1D γ Tot

20 Cooperatividad γ rad γ 1D No a escala C 1 = β (1 β) = γ 1D γ rad

21 Factor de Purcell γ 0 γ rad γ 1D No a escala F P = γ tot γ 0 = γ rad +γ 1D γ 0 = α β Cambio en la tasa de emisión espontanea

22 Factor de Purcell γ rad γ 1D No a escala F P >1 F P <1 Incremento de la emision espontanea Inhibición de la emisión espontanea

23 Cooperatividad y OD γ rad γ 1D No a escala C 1 = OD 1 1 n eff γ 0 γ rad

24 Mejora del acoplamiento para átomos atrapados α = γ 1D γ 0 Nanofibra actual

25 2. Fuerzas sobre un dipolo

26 Trampa

27 Trampa

28 Trampa

29 Trampa

30 Trampa

31 Trampa

32 Trampa

33 Trampa

34 Trampa

35 Fuerza Trampa

36 Burbuja de aire en agua Fuerza

37 De dónde viene la presión electromagnética? En una onda plana del campo magnético. Cuidado con las resonancias en la superficie si el diámetro~λ. La luz puede salir en otra direccion y la presión disminuye. Explicación cuántica por transferencia de momentun de la luz al átomo.

38 Modelo: átomos como osciladores Esfera de vidrio en aire responde igual a un oscilador excitado abajo de resonancia: Corrimiento al rojo (δ=ω-ω 0 < 0) átomo es atraido hacia la mayor intensidad (I). La burbuja de aire en el agua responde igual a un oscilador excitado arriba de resonancia. Corrimiento al azul (δ=ω-ω 0 > 0) átomo es repelido de la mayor I. Potencial (U) U I/δ Fuerza (F) F (I/δ)

39 Mejora del acoplamiento α = γ 1D γ 0 Nanofibra actual Mejor utilizar átomos no atrapados

40 3. Atomos atrapados alrededor de la fibra

41 Potencial de atrapamiento Atomos repelidos Atomos atraidos

42 Esquema de atrapamiento

43 Esquema de atrapamiento ~120 átomos ~23 ms

44 4. Dinámica de átomos atrapados alredor de la nanofibra.

45 Atomos como medio birrefringente U (mk)

46 Atomos como medio birrefringente U (mk)

47 Atomos como medio birrefringente o U (mk) e

48 Atomos como medio birrefringente o Probe U (mk) e

49 Detección polarimetría - heterodina Diferencia de frecuencia ~4 MHz Sonda Polarimetría Nanofiber Trap Haces de atrapamiento Detector balanceado

50 Medición con batido de dos haces La detección utiliza la interferencia entre dos campos: un oscilador local LO y una señal S. El resultado es una aplificación de la señal proporcional al tamaño del LO. LO cos(φ) + S 2 = LO LO S cos(φ) + S 2 La fase en cos(φ) puede ser espacial (homodina: misma frecuencia) o temporal (heterodina: diferentes frecuencias)

51 Detector Balanceado: Dos detectores iguales tras un espejo semitransparente. La fase cambia dependiendo de cual es la superficie reflejante. (Stokes demostró eso utilizando reversibilidad de T en electromagnetismo). Se cancelan las variaciones comunes. Tomar la diferencia pues el término de la interferencia cambia de signo.

52 Dependencia temporal de la birrefringencia

53 Dependencia temporal de la birrefringencia Conforme los átomosescapan la trampa la birrefringencia disminuye.

54 Dependencia temporal de la birrefringencia

55 Dependencia temporal de la birrefringencia

56 Atomos moviéndose en la trampa U (mk)

57 Atomos atrapados como medio birrefringente Sonda U (mk)

58 Atomos atrapados como medio birrefringente Sonda U (mk)

59 Atomos atrapados como medio birrefringente U (mk) El experimento y la simulación dan resultados similares (

60 Atomos atrapados como medio birrefringente 100 Pol. Rot. (μv) t (μs)

61 61

62 5. Modos mecánicos de la nanofibra 62

63 Modos mecánicos

64 Oscilaciones mecánicas de la nanofibra Modos torsionales Modos de violín (vibracionales)

65 Detección mediante polarimetría - heterodina Diferencia de frecuencia ~1 MHz Sonda Nanofibra Polarimetría Detector balanceado

66 Excitación Amplitud (V) Amplitud 00 (mv) Time (s)

67 Comparación de los métodos de excitación Espectro de potencia (db) Termal Resonante Frecuencia (khz)

68 FFT

69 Modos de violín

70 Modo torsional Q = 9000 FWHM = 10 Hz

71 Modos en nanofibras calentadas

72 Problema: La frecuencia del primer modo torsional está muy cerca de la frecuencia de la trampa de los átomos y puede calentarlos. 72

73 Sumario 1. Interacción átomo-campo alrededor de una nanofibra. 2. Trampas en nanofibras 3. Dinámica de átomos atrapados mediante polarimetría 4. Modos mecánicos de la fibra

74 Gracias Thesis Defense - 08/19/2014 Jonathan Hoffman, Joint Quantum Institute 74